Advanced Morphometric Techniques Applied to The
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN ADVANCED MORPHOMETRIC TECHNIQUES APPLIED TO THE STUDY OF HUMAN BRAIN ANATOMY TESIS DOCTORAL Yasser Alemán Gómez Ingeniero en Tecnologías Nucleares y Energéticas Máster en Neurociencias Madrid, 2015 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN PHD THESIS ADVANCED MORPHOMETRIC TECHNIQUES APPLIED TO THE STUDY OF HUMAN BRAIN ANATOMY AUTHOR Yasser Alemán Gómez Ing. en Tecnologías Nucleares y Energéticas MSc en Neurociencias ADVISOR Manuel Desco Menéndez, MScE, MD, PhD Madrid, 2015 Departamento de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid Ph.D. Thesis Advanced morphometric techniques applied to the study of human brain anatomy Tesis doctoral Técnicas avanzadas de morfometría aplicadas al estudio de la anatomía cerebral humana Author: Yasser Alemán Gómez Advisor: Manuel Desco Menéndez Committee: Andrés Santos Lleó Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Spain Javier Pascau Gonzalez-Garzón Universidad Carlos III de Madrid, Madrid, Spain Raymond Salvador Civil FIDMAG – Germanes Hospitalàries, Barcelona, Spain Pablo Campo Martínez-Lage Universidad Autónoma de Madrid, Madrid, Spain Juan Domingo Gispert López Universidad Pompeu Fabra, Barcelona, Spain María Jesús Ledesma Carbayo Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Spain Juan José Vaquero López Universidad Carlos III de Madrid, Madrid, Spain Esta Tesis ha sido desarrollada en el Laboratorio de Imagen Médica de la Unidad de Medicina y Cirugía Experimental del Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón y en colaboración con el Servicio de Psiquiatría del Niño y del Adolescente del Departamento de Psiquiatría del Hospital General Universitario Gregorio Marañón de Madrid, España. Tribunal nombrado por el Sr. Rector Magnífico de la Universidad Politécnica de Madrid, el día ___ de ________________ de 2015. Presidente: __________________________________________ Vocal: __________________________________________ Vocal: __________________________________________ Vocal: __________________________________________ Secretario: __________________________________________ Suplente: __________________________________________ Suplente: __________________________________________ Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día ___ de ________________ de 2015, en la E.T.S.I de Telecomunicación. Calificación: __________________________________ _________________ _______________________________________________ EL PRESIDENTE LOS VOCALES _________________ EL SECRETARIO “Si saber no es un derecho, seguro será un izquierdo” Silvio Rodríguez (El escaramujo) Agradecimientos A unas horas de que este documento se entregue definitivamente lo más simple hubiera sido no escribir agradecimientos y así evitar la posible injusticia de no mencionar a todos los que me han ayudado, de una manera u otra, a llegar hasta aquí. Precisamente, después de este esfuerzo, es evidentemente que podemos sobrevivir unas horas más sin optar por lo simple. Agradecer ante todo a Manolo, primero por la oportunidad que me dio al llegar a España de formar parte de este grupo y segundo por la ayuda que me ha brindado durante estos años en el laboratorio. Agradecer la ayuda para terminar este trabajo y también, y a lo cual doy mayor importancia, por lo que he aprendido acerca del esfuerzo que se debe realizar para mantener a flote un laboratorio del cual, todos los que estuvieron, estamos o estarán, tendremos siempre un recuerdo muy especial. Es una tarea casi quijotesca mantener un grupo así con lo poco valorada que está la investigación actualmente. Además quisiera agradecer a otras dos personas muy importantes para llevar este trabajo a algún lugar. Primeramente a mi “nederlandse vriend” Joost. Sin ti nada de lo que se leerá de aquí en adelante hubiera existido. Gracias por esas discusiones, críticas directas y evidentemente por la amistad que mantenemos. En segundo lugar a Chus, sin la cual hubiera estado perdido durante todo este proceso, especialmente al principio. En el medio y al final también lo hubiera estado, seamos sinceros. Un agradecimiento muy especial a mis padres que siempre me han apoyado y de los cuales cada día me siento más orgulloso. De ellos he absorbido todo lo que he podido para llegar a ser mejor persona. De mi madre he heredado la cordialidad, la facilidad para hacer amigos y el sacrificio, de mi padre el despiste, la despreocupación material y el soltar lo que se piensa. A mis primos y a su camioneta. Mi prima, fruto de la unión de dos personas espectaculares, es, resumiendo, mi hermana mayor. Mi primo, antes que su esposo, es, si no la más noble, una de las personas más nobles de mi planeta. Gracias a ambos por todo lo que han hecho por nosotros y por darme el hermano-primo pequeño (ya sólo de edad) que tengo. Estoy super orgulloso de haber suspendido el examen final de mecánica teórica en 2do año de carrera y espero que el “reggaetón” sea como el asma, que se pasa con la edad. Agradecer también a mis primos “italianos” Belkis, Franco e Illide y a la familia Osvaldos-Ariel-Kenia-Teida de 9na entre F y G. El hecho de ser del Vedado influyó siempre en la baja calidad de juego en la pelota a la mano pero siempre estuve ahí para levantar el nivel. El Cerro es otro “level”. A mi chica por irse conmigo aunque finalmente he terminado viniendo yo. Gracias por la confianza, el apoyo y el amor que me has dado durante todo este tiempo. El venir me ha dado la posibilidad de conocer a tu familia que también, como no podía ser de otra manera, es espectacular. Incluyo a Santi dentro de tu familia porque evidentemente forma parte de ella. Una de las ventajas que tiene emigrar es que conoces mucha gente y muchas de ellas se convierten luego en nuevos amigos. Ahora tengo el doble que hace 7 años. Agradecer a todos ellos el estar siempre ahí y que sepan que yo también estoy aquí para cualquier combate. Agradecer a Velarde, a Erick, al Yaci, a Ramón, al Dani, a los Alejandros (Alejandro Ojeda y Alejandro Fiel), Betty, Rogney, Joost, Sonia, Monzón, Ricardo, Iván Linares, Maricela, Maylen, Yanays, Diamela, Jose Luis, Sandra, Pedrito, Eduardo, Lester, Nelson, Tin, Joelay, Mónica, Ana, Pablo, Javi, Cris, Alex/Sisni, Trajana, Esther, Oscar, Lorena, Fidel, Susana, David, Anabea, Kenia, Kike, Vero, Paula, Inma, Carmen, Iván, Eva, Javi Pascau, Juanjo, Pedro, Evan, María, Chema, Eu, etc, etc, etc … Quisiera finalmente agradecer la suerte de haber podido conocer a una persona increíble. Gracias por todo Santi Reig, nos hiciste mejores. Un honor haberte conocido. ><((((º>`·.¸¸.·´¯`·.¸.·´¯`·...¸><((((º>`·.¸¸.·´¯`·.¸.·´¯`·...¸><((((º> `·.¸¸.·´¯`·.¸.·´¯`·...¸><((((º>`·.¸¸.·´¯`·.¸.·´¯`·...¸><((((º>`·.¸¸.·´ Contents Contents Abstract ............................................................................................................................ v Resumen ......................................................................................................................... vii List of tables...................................................................................................................... ix List of figures .................................................................................................................... xi Chapter 1: Motivation and objectives ............................................................................. 1 1.1. Motivation ............................................................................................................................ 1 1.2. Hypothesis and objectives .................................................................................................... 3 1.3. Outline .................................................................................................................................. 3 Related references ....................................................................................................................... 5 Chapter 2: State of the art in brain morphometry ........................................................ 7 Introduction ................................................................................................................................. 7 2.1. Preprocessing steps in brain morphometry ........................................................................... 7 2.1.1. Inhomogeneity correction .............................................................................................. 7 2.1.2. Image registration and spatial normalization ................................................................. 8 2.1.3. Tissue classification ..................................................................................................... 10 2.1.4. Structure parcellation ................................................................................................... 11 2.1.5. Cortical surface extraction ........................................................................................... 12 2.1.6. Volumetric and geodesic smoothing ........................................................................... 14 2.2. Region of interest analysis.................................................................................................. 15 2.3. Voxel based morphometry ................................................................................................. 15 2.4. Surface based morphometry or vertex-wise analysis ........................................................